Elektronische Displays

Transcrição

Vorlesungsbegleitendes Skript in Deutsch
Pf
1
Einführung
3
Display Technologien
CRT
LCD
Plasma
VFD
(O)LED
EL
Messungen
4
Technologievergleich
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
Anwendungen, Markt, ...
Prinzip, Beispiele, Anwendungen, ...
Prinzip, Komponenten
Passiv - & Aktiv - Matrix, Ansteuerung, ...
Prinzip
Prinzip, Ansteuerung
HL, OLED, LEP
Displays & Hinterleuchtung
Kontrast, Farbe, Umgebungslicht, ...
Bla
2
FH
Karlheinz Blankenbach
Prof. Dr. Karlheinz Blankenbach
Tel.
: 07231 / 28 - 6658
FH Pforzheim ET/IT/TI
Fax
: 07231 / 28 - 6060
Tiefenbronner Straße 65
Email
: [email protected]
75175 Pforzheim
Web
: www.displaylabor.de
www.k-blankenbach.de
Bilder, Daten etc. aus Firmenschriften, Internet, Büchern (Matschulat, Knoll, ...),
SID-Journal, Konferenzbände ELECTRONIC DISPLAYS, ...
Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01
1 / 81
1. Einführung
Statement
‘Es gibt heute praktisch kein elektronisches Gerät ohne Display‘
Ziel
- Anwendungen elektronischer Displays
- Grundlagen der relevanten Displaytechnologien
- Aspekte zur Displayauswahl
Schlagwort
'Multimedia'
Pf
- Grundkenntnisse der wichtigsten Meßtechniken
- Multimedia = Fähigkeit zur Ausgabe mehr als eines Formates
- Bilder
- Audio
- ...
FH
- Video
- typischerweise versteht man hierunter einen PC, zunehmend aber
auch Anwendungen im industriellen und automobilen Bereich
Definition
Multimedia Displays
- Auflösung ≥ QVGA (320 * 240)
Bla
- ≥ 256 Farben
- Schaltzeit < 100 ms
- Öffnungswinkel > 10°
- Format 4 : 3 ... 16 : 9
- ...
Marktvolumen
- ≈ 40 Mrd. $ (2001), davon ca. 40 % Flachdisplays
- Steigerung bis 20 % pro Jahr prognostiziert
- CRT / FPD ≈ 1,5 : 1 (2001), ≈ 1 : 1 (2005)
2 / 81
1.1 Beispiele 'guter' und 'schlechter' Display - Anwendungen
‘schlecht’
Pf
‘gut’
Öffentliches Internet-Terminal Ulm
(CRT, 'verschrottet')
FH
Parkleitsystem Ulm (LCD)
Shop in Frankfurt bei normaler
Betrachtungsweise
Bla
Plasma Display im Innenbereich
(Spende ABLE DESIGN, München)
Outdoor Sonnenlicht
outdoor Schatten
indoor
LCDs : reflektiv monochrom (links), ~ Farbe (Mitte, Spende Compaq) , transmissive (rechts)
→ Sorgfältige Displayauswahl vor allem bei hellem Umgebungslicht !
3 / 81
1.2 Display - Einteilung
Displays
Direktsicht
LCD
CRT
DMD
Laser
Pf
Passiv
Projektion
Aktiv
DMD und Laser Displays sind keine Direktsicht-Displays
Aktiv
'Licht schaltend'
FH
Passiv
'Licht emittierend'
Monochrome LCD
Color LCD
Reflektive Color LCD
CRT
Split Flap
(O)LED
Plasma
Flip Dot
DMD (mit Lampe)
eInk
VFD
EL
FED
...
....
Bla
' Papier '
Technologie - Bildgröße
b u ild w ith m o d u le s
-> vid e o w a ll
L C D , L E D , C R T, S p lit F la p , F lip D o t
LED
L a se r TV , D M D
VFD, EL
CRT
LCD
0.1
1
5
10
40
direct view
100
projection
display size
(diagonal)
/ inch
4 / 81
1.3 Display - Auswahl
Qualitätsaspekt
→
Technische Spezifikation
'Gute Ablesbarkeit'
- Optik
- Elektronik
Magic Circle
Contrast
Switching time
Gray scale, ...
Power consumption
Voltage
EMI, ...
Optic
FH
Electro-Optic
Pf
- Anwendung
Electronic
Application
Viewing angle
Contrast
Color
Brightness
Reflections, ...
Size
Price
Weight
Temperature
Vibration
Displayed Data, ...
Bla
Weiterhin zu beachten:
- Lieferanten (Second Source, Liefertreue, ...)
- kundenspezifisch oder Serie
- Einsatzort (z.B. bei Großraumbüro mit CRTs muß evt. Klimaanlage größer dimensioniert
werden, somit können LCD - Monitore insgesamt billiger sein)
- Vorstellungen des Kunden (Design, Qualität, ...)
- 'Zukunft' der gewählten Technologie (VFD & FED sind möglicherweise am Aussterben)
- Produktlebensdauer und Weiterentwicklung
- ...
Alle diese Parameter müssen applikationsspezifisch gewichtet werden, der Kompromiß wird
oft über den Preises gefunden, nicht über die Qualität des Displays !
5 / 81
1.5 Ergonomie
Auflösung des Auges:
Minimum Recognable Object Size
100
α ≈ 1‘ = 1/60 ° = 1‘ Bogenmaß
height /cm
10
αrad ≈ 3 . 10-4
1
0,1
0,001
Pf
0,01
h
→ tan α ≈ α =
d
0,1
1
10
100
1000
viewing distance /m
Sichtwinkel ϕ
ϕ/2
10 ° - 2 0 °
FH
typisch 20° - 40°
h/2
d ( 6 0 - 9 0 c m)
empfohlen : 30°
Büro d ≈ 60 cm
Bildschirmgröße
Winkel
20° (Minimum)
40° (Maximum)
14"
28"
Bla
große LCDs in Verbindung mit einem kleinen Betrachtungsabstand sollten große
Blickwinkel aufweisen wegen Kontrastverminderung und Farbverschiebungen
Darstellung von Buchstaben
10
mm
Segment 8
Starburst
7-Segment
14-Segment
bad
Aa
Matrix 5*7
Readability
VGA 20*30
good
6 / 81
1.5 Empfehlungen und Normen für Elektronische Displays
ANSI / HFS 100-1988
Umgebungslicht
500 lx
Hintergrund-Leuchtdichte
10 cd/m²
> 35 cd/m²
Betrachtungsabstand
50 cm
Breite (∅ vgl. I, M)
Format (Punktmatrix)
Modulation CM
2,3 – 6,5 mm (d = 50 cm)
(3,1 bevorzugt)
92 % der Höhe
>7*9
>5*7
> 0,75
0,71
Kontrast Verhältnis CR
3 : 1 – 15 : 1
(6 : 1 bevorzugt)
Bla
CRT Flicker (Bildrate)
vgl. 100 Hz Fernseher
2,6 mm
ϕ = 18´
FH
Buchstaben - Höhe
45 cd/m²
Pf
Display-Leuchtdichte
Gleichmäßigkeit
Leuchtdichte
DIN 66234
> 50 %
Nicht beobachtet von
90 % der Betrachter
Empfohlene Buchstabenhöhe
50 – 60 Hz Negativmode,
80 Hz Positivmode
Diagonale
Höhe
21"
4,0 mm
Die Höhe nimmt mit der Diagonalen ab, da der
19"
3,6 mm
typische Betrachtungsabstand größer wird
17"
3,0 mm
7 / 81
Darstellungs - Modi
Alternativ
Negativ
Dunkle Information auf
hellem Hintergrund
Helle Information auf
dunklem Hintergrund
Positivkontrast
Negativkontrast
Pf
Darstellung
Positiv
10 - 15
80 - 160
Hintergrundleuchtdichte /cd/m²
- 170
10 - 15
1 : 8 - 1 : 12
8 : 1 - 10 : 1
Optimaler Kontrast
CRT - Bildfrequenz /Hz
FH
Buchstabenleuchtdichte /cd/m²
70 - 80
50 - 60
CRT : Negativmode ist wegen geringerer Bildfrequenz bei Computern leichter zu realisieren,
da die Wiederholrate geringer ist; vergleiche 'DOS – Mode' alter Computer mit Bernstein- oder
grüner Farbe (lange Abklingdauer des Phosphors ermöglicht eine flimmerfreie Bildfrequenz <
Bla
25 Hz)
Reflexionen scheinen bei Positivdarstellung (hell auf hellem Hintergrund) geringer auszufallen
als bei Negativdarstellung (hell auf dunklem Hintergrund), da die mittlere Leuchtdichte bei
Office-Anwendungen des Displays größer ist !
Displaynormen : CECC 20000 A3, ISO 9241, ISO 13406, IEC 47(CO)16, ...
8 / 81
2. Displaytechnologien
2.1 Kathodenstrahlröhre (Cathode Ray Tube)
- seit mehr als 100 Jahren
- bis 1990 die einzige Technologie für Fernsehen und hochauflösende Anwendungen
- heutiger Marktanteil: > 60 % der Computermonitore und > 90 % der Fernseher
Pf
- einzigartiges Prinzip: ein Strahl wählt jedes Pixel an und steuert dessen Leuchtdichte
1
Hauptkomponente
n
der CRT
3
2
6
5
FH
. .
. .
4
10
9
7
8
- + -
+
Evakuierter Glaskolben
2
Heizelement
3
aufgeheizte Kathode emittiert Elektronen
4
Wehnelt Zylinder (negatives Potential) fokussiert den Elektronenstrahl
5
abgelenkter Elektronenstrahl
6
Ablenksystem
Bla
1
- elektrostatisch für hohe Frequenzen (Oszilloskop) und kleine Ablenkwinkel
- magnetisch für große Ablenkwinkel und niedrigeren Frequenzen
7
Anode
8
Anodenspannung bis 35 kV zur Beschleunigung
9
Phosphor zur Lichterzeugung durch Aufprall schneller Elektronen
10
Wehnelt Spannung (Kathode, ≈ 80 V): je höher die Spannung desto geringer die
Strahlintensität und demzufolge die Leuchtdichte
9 / 81
2.2.1 Lichterzeugung
- Elektronen treffen mit hoher Geschwindigkeit auf die Innenseite des Phosphors
Bandbreite Video - Verstärker
FH
Pf
- die Strahlung muß die Phosphorschicht zum Betrachter hin durchdringen (Dämpfung)
Pixelfrequency - Videobandwidth
f pixel< f video
f pixel ~ f video
Bla
f pixel<< f video
Displayed Signal
UD
t
eine geringe Bandbreite des Videoverstärkers 'verwäscht' die Konturen
10 / 81
2.1.3 Magnetische Ablenkung
Bewegte Elektronen werden in Magnetfeldern
flat
sphere
auf Kreisbahnen (Lorentz - Kraft) abgelenkt; das
b>a
tritt auch in Halbleitern auf (Hall - Effekt).
β=α
Abgeflachte und Flachbildröhren : b > a
a
α
Pf
bei 'gleichem' Ablenkwinkel !
R
Bemerkungen
- typische Ablenkwinkel : 90°, 110° ('short neck'), definiert als
'Öffnungswinkel' links oben - rechts unten
FH
- 110° ermöglichen eine geringere Bautiefe als 90° Ablenkwinkel
- kleinere Anodenspannung vergrößert Bild (Leuchtdichte geringerer)
- Flachbildröhren benötigen Korrekturmaßnahmen um Konvergenz,
Farbreinheit und Schärfe zu gewährleisten
Magnetische Ablenkeinheit
Bla
Bildaufbau
11 / 81
2.1.4 Bildqualität
Phosphorschicht, Ablenkung, nicht kugelförmiger Schirm etc. bedingen eine Beeinträchtigung
der Bildqualität. Mit speziellen Schaltungen und Spulen kann Abhilfe geschaffen werden - zu
Lasten des Preises.
FH
Pf
Geometrische Fehler verursacht durch magnetische Ablenkung
Linearität
b max
Bla
b min
a min
a max
Linearitätsabweichung sollte < 10 % sein
: dv =
amax − amin
⋅100 %
amax
horizontal : dh =
bmax − bmin
⋅100 %
bmax
vertikal
Beispiel : 21" CRT für CAD Anwendungen
Gitterbreite Soll 20 mm, gemessen 19 mm (Minimum) und 21 mm (Maximum)
dX =
a max − a min
⋅ 100 %
a max
=
21 − 19
⋅ 100 % = 9.5 %
21
12 / 81
2.1.5 Beispiele von Bildfehlern
Moiré - Effekt
'Abtasteffekt' zwischen Bildraster und PixelPitch. Tritt auf, wenn beide etwa gleich groß
sind.
Pf
Beispiel: fein karierte Kleidung im Fernsehen
Konvergenz
trifft auf benachbarte Pixel, was
zu Farbveränderungen führt; tritt
meist in den Ecken auf (s. u.).
Konvergenz - Korrektur
FH
Der Elektronenstrahl einer Farbe
Bla
- durch spezielle Spulen und Schaltungen
- vor allem bei Flachbildröhren notwendig
ohne Korrektur
mit dynamischem Fokus
13 / 81
2.1.6 Elektronik
- Umwandlung der Video- und Synchron-Eingangssignale für den Bildaufbau
- spezielle Stromversorgung für Hochspannung (Anode) und hohe Ströme (Ablenkung)
- Videosignal - Aufbereitung ohne Beeinflussung durch Stromversorgung erforderlich
Bla
FH
Pf
- ...
Leuchtdichte- (Helligkeit) und Kontrasteinstellung durch die Kathodenspannung
Leuchtdichte
Kontrast
14 / 81
2.1.7 Entwicklungstrends
1
Verkürzung der
Bautiefe
3
2
6
5
. .
. .
9
7
4
8
- + -
Anzahl der e-Strahlen pro
Farbe
1
'Dromedar' mit 1 Höcker
2.1.8 Zusammenfassung
Pros
Preis
Signalkompatibilität
2
~ 109
'Kamel'
≈ 2 * Preis
Field Emission
Display (Flat CRT)
FH
Name
+
Pf
10
Cons
große Bautiefe
hoher Leistungsaufnahme
Röntgenstrahlen
Bla
Verschiedene Auflösungen
Bilddiagonalen 1" - 40"
schwer *
Monochrom erhältlich
EMV
Multimedia - fähig
Geometriefehler
robust
Flicker bei niedriger Bildfrequenz
zahlreiche Anwendungen
Phosphor - Degradation
(*) : Gewicht : 15" LCD-Monitor ≈ 5 kg , 17" CRT-Monitor ≈ 20 kg, 28" Fernseher ≈ 50 kg
15 / 81
2.2 LCD-Technologie
- LCD : Liquid Crystal Display - Flüssigkristall - Anzeige
- flüssigkristallin : Materiezustand zwischen fester und flüssiger Phase mit dem
Orientierungsvermögen eines Kristalls und der Beweglichkeit einer Flüssigkeit
- LCD ist prinzipiell eine passive Technologie mit niedrigster Leistungsaufnahme
Pf
Beispiele : Armbanduhren, LCD - Thermometer, ...
- wegen der starken Absorption der Farbfilter müssen transmissive Farb - LCDs
als quasi - aktiv angesehen werden (Emission von Licht)
- LCDs sind flach und leicht
- LCDs sind die universellste Displaytechnologie
FH
- Direktsicht - Diagonale 0.5" ... 40 " und Projektiondisplays
- robust und hohe Verfügbarkeit (automotive, Flugzeuge und Militär)
- kann preislich noch nicht mit CRTs bei Fernsehern und PC-Monitoren konkurrieren
25 Jahre LCD - Anwendungen
Bla
Technological Steps
Laptop, video, ...
Laptop, mobile phone, ...
Remote controller, control panels, ...
Watch, pocket calulator, ...
1975
1980
1985
1990
bw
Active matrix
Dot Matrix, graphic, passive
Dot Matrix, Alphanumeric
Segment 8
1995
colo r
16 / 81
Flüssigkristall - Technologien
C:\kb_files\VORLESUN\DISPLAYS\lcd_allgemein\lcd_technologien_cast_s_182.abc
Montag, 15. März 1999
Liquid Crystal Displays
20:23
Nematic
Active
Matrix
Multiplex
Twisted
Nematic
Standard TN
Guest Host
Supertwisted
Dynamic
Scattering
STN
DSTN
FSTN
2 Terminal
Devices
Diode
Silicon
Amorphous Si
ECB
Bulk (MOS)
Polymer
Dispersed
OMI
Smectic A
thermal, electric
Smectic C
poly Si
Deposited
Recristallized
Modulated TN
2D Pin
Ring
Back-to-back
FH
Direct
Pf
Bi-stable
Threshold
enhanced
Ferroelectric
Guest Host
MIM
SiNx
Varistor
Non-Silicon
Driving
Bla
CdSe
Ge
Te
LC-class
Plasma
Adressed
- nicht alle Effekte bisher kommerziell genutzt :
- bistabile LCDs für Chipkarten
- Plasma Adressed LC für Fernseher
- manche Technologien haben Nischen erobert :
- Electronically Controlled Birefingence als Farbdisplay bei Gameboys
- Smectic A bei 'Badewannen - Thermometern'
17 / 81
2.2.1 Grundlagen der LCDs
optisches Prinzip: 'Schalten' von Licht
Elektro-optische Kurve
Transmission
eo curve
light
90 %
polarizer
glass 1 mm
ITO 50 nm
LC 10 µm
alignment layer
- Viewing angle
- Twist
Pf
U
Slope and shape:
spacer
analyzer
- Pretilt
-T
- LC - type
- ...
10 %
U off
U on
Driving voltage
FH
Positivmode
Anwendung
- Transmissionsänderung
- LCD
Übersicht : LC - Effekte für Displays
Ansteuerung
Effekt
Temperatur
- Farbwechsel
Bla
Elektrisches- & Magnetfeld
- Thermometer
- thermische Ansteuerung
z.B. mit Laser
Elektro - optische Effekte von Flüssigkristallen
Typ
Dynamische
Streuung
Anwendung
DS - Displays
+ : milchig ↔ transparent
+ : großer Blickwinkel
- : kleiner Kontrast
Lichtabsorption - Doppelbrechung
- Guest Host
TN, STN, ferroelektrisch (FLCD)
LC + absorbierendes Material
(hoher Kontrast + großer Blickwinkel)
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Funktionsweise TN - LCD : 90° - Drehzelle
- Flüssigkristalle richten sich an der Orientierungsschicht aus
- Oberseite ⊥ Unterseite → 90 °Verdrillwinkel der LC - Helix
Positivmode
polariser
glass
ITO
alignment layer
10 µm
Pf
light
E
FH
Uon
alignment direction
orientation of polarizer
rel. Transmission
90 %
U=0V
Bla
90°
U > UThreshold
Pixel view
10 %
UThreshold
Driving Voltage
Positive Type : Polarizer || Orientation
Positiv - Darstellung
Negativ - Darstellung
- Taschenrechner, Uhren
selten verwendet, meist aus Designgründen
- monochrome Grafik - LCDs
oder bei monochromen transflektiven Displays
- alle Farbdisplays
zur Verbesserung der Ablesbarkeit bei
Dunkelheit (leuchtende Buchstaben)
19 / 81
Funktionsweise STN - LCD : Doppelbrechung
- Verdrillwinkel (Twist) : 180° - 270°
- Farbeffekte durch anisotropen Brechungseffekt
Pf
- Kontrastwirkung aus Leuchtdichte und Farbwirkung
index ellipsoid
Typ
STN
FH
180° twist
F STN
D STN (*)
Struktur
Bla
polariser
active STN cell
STN cell
T
passive STN cell
retardation film
T
on
on
Transmission
Farbe gewählt
T
on
off
off
off
λ
λ
λ
Blau
Schwarz
Schwarz
" nicht gewählt
Gelb - grün
Weiß
Weiß
Preis
geringster
mittel
höchster
* : DSTN : Doppel-STN; bei Ansteuerung versteht man hierunter Dual Scan STN (s.u.)
20 / 81
2.2.2 LCD Betrachtungsmodi
Name
Prinzip
Anwendung
- nutzt Umgebungslicht
- Uhr
- niedrige Leistungsaufnahme
- Taschen-
Reflektiv
Pf
lig h t s ou rc e
LCD
refle cted lig h t
Transflektiv
FH
re fle cto r
- Transflektor reflektiert das
rechner
- s/w LCD
Umgebungslicht zu ≈ 70 %
lig h t s o u rc e
lig h t s o u rc e
LC D
tra n s m itte d lig h t
(b a cklig h t)
re fle c te d lig h t
tra n sfle cto r
- Backlight im Hellen aus
wendung mit
Ablesefähigkeit im
Dunkeln
Bla
Transmissiv
- Backlight-Anteil ≈ 30 %
- Außenan-
- Höchste Leistungsaufnahme
- Farb - LCD
(ca. 50 % bei Laptops)
light source
LCD
(backlight)
transmitted light
- im Dunkeln
- Anwendung bei Farb-LCDs
wegen geringer Transmission
der Farbfilter
→ quasi-aktives Display
21 / 81
2.2.3 Ansteuermethoden
Bezeichnung
Statisch
Methode
Multiplex
aktiv
LC - Typen
Passiv
TN
STN
TN
Limitierung
R
ITO
FH
Pf
Prinzip
U pixel
C pixel
RLC C
Ud
dot
Bla
- RC - Tiefpass
- großer Pixelabstand
wegen Zuleitungen
SpannungsCharakteristik
aktiv
U
Entladung von C via RLC
während eines 'Bildes',
z.B. SXGA : 1024 Zeilen
U
ideal
U
pixel ideal
U
pixel Limitation
t
1 row
Udrive
t
1 frame
Limitation
f ≈ 50 Hz
Upixel < Umax
Upixel ≠ const. bei Passivmatrix
→ Kontrastreduktion
→ Kontrastreduktion
22 / 81
2.2.4 Statische Ansteuerung
plate, electrode
f = 30 - 70 Hz
front (pixel)
Us
0
Us
0
Us
U
pixel
0
-Us
Pf
back, common
FH
off
on
off
Abhängigkeit des Kontrastes von der Ansteuerspannung
transmission
90 %
90 ° / 12 °°
Φ
180 ° / 9 °°
20°
θ
40°
0 ° / 3 °°
10 %
Uoff
Bla
Static
U
on
driving voltage
2 70 ° / 6 °°
Us =
1.5 U off
8 Uoff
Us = Uselect > Uon
geringere Us = kleinerer 'Blickkegel'
Unonselect = 0
siehe Passivmatrix - Multiplexansteuerung
→ Kontrast AM > PM
23 / 81
Pf
Beispiel für Sieben - Segment - Anzeige
FH
'A' : Datensignal ('0' oder '1') , 'B' : Backplane - Signal ('clock')
Pixelspannung : VPixel = B - C
→ einfache Ansteuerung mit XOR, da die Spannungsinversion
(kein DC !) automatisch passiert; es ist nur das Pixel zu 'setzen' !
Bla
Multiplex - Ansteuerung mit mehreren Backplanes (Common)
- 7 Leitungen per Digit
bei 4 Digits
28 Segmente
1 Common
29 Leitungen
----------------------------------------- pro Digit 3 Segm. + 3 Com.
- 4 Digits : 4 * 3 Seg. + 3 Com.
= 15 Leitungen ≈ Hälfte !
24 / 81
2.2.5 Matrix - Ansteuerung
CRT
Auswahl und Daten für jedes Pixel mit nur einem beweglichen
Elektronenstrahl → gewisse Bautiefe des Displays ist notwendig
flache Bauweise mit Einzelpixel
Display
→ Matrix - Ansteuerung
Prinzip der
Eine Seite des Displays wird in Zeilen unterteilt (Scan), die andere in
Matrix -
Spalten (Daten). Die Kreuzungspunkte bilden die Pixel. Die
Ansteuerung
Matrixansteuerung erfordert eine nichtlineare elektro-optische Kennlinie
Pf
Flat Panel
Überblick
Ansteuerung
Passiv
Eigenschaft
Aktiv
Jedes Pixel besitzt zusätzlich ein
FH
Jedes Pixel wird von der zugehörigen Zeile und Spalte
nichtlineares Schaltelement, z.B.
angesteuert
einen Transistor
Pros
billig
Cons
geringer Kontrast
Teuer
Beispiel
PM LCD und -OLED
AM LCD (TFT)
Plasma, VfDs
AM OLED
Bla
Hoher Kontrast
2.2.5.1 Passiv - Matrix LCD Ansteuerung (PM LCD)
von oben (vereinfacht)
Seitenansicht
column 'data'
drivingvoltage
-U
0
ITO
+U
ITO
|U|
row 'scan'
|2U|
glass
0
0
|U|
1 Pixel
pixel voltage
25 / 81
Ansteuersignale für eine 2*2 Passiv - Matrix
Zeilen- (scan) und Spaltensignale (data) wirken auf die Pixel
UD
1 2 1 2
0
Data
Pf
UD
0
t
US
a
0
0
T
FH
US
one line
adressing
a
b
Scan
inverted
(no DC)
Effektivspannung für Pixel 'a' und 'b'
SXGA: 1 ... 1024
1
b
Bla
a
2 1 2
1
2 1 2
Scan
-
Data
=
2U
on !
∆U
off !
U
Jede Zeile wird sequentiell angesteuert wobei die zugehörigen 'Daten' an allen Zeilen anliegen
→ alle Pixel des Displays 'sehen' die angelegte Spannung 'ihrer' Spalte
→ starke nichtlineare elektro-optische Kennlinie erforderlich !
26 / 81
Passiv - Matrix - Ansteuerung : Berechnung der Spannung Uselect
Mit der Alt & Pleshko Formel werden die Ansteuerspannungen berechnet :
CR =
Uselect
Unonselect
=
mit N : Anzahl der Zeilen = Multiplexrate
N +1
N −1
Kontrastverminderung im Vergleich zur
L on
+1
N L off
Pf
R=
Statischen Ansteuerung für kleine N
Multiplex 1 : 64
N = 3 → R = 2 → Uselect = 2 Unonselect
N = 64 → R = 1,134 ⇒ Uselect = 1,134 Unonselect
CR direct = 10 → CR PM ≈ 4
FH
Multiplex 1 : 3
Einstellung von Unonselect nach eo- Kennlinie (s. u.)
z. B. Kleingrafik mit 128 * 64 pixel
z. B. 7-Segment mit 3 Backplanes
Anzahl der Ansteuerspannungen (BIAS)
N + 1
N
BIAS
Anzahl der Spannungen
2
2-3
2
Bla
Def: BIAS =
16
5
5
64
9
6
Stromversorgung bei Passiv-Matrix - Modulen
VR : Potentiometer für Ucontrast
27 / 81
Einstellung von Unonselect für hohe Multiplex - Raten
transmission
shifted
by Ucontrast
1 : 64
90 %
Pf
Uselect (mux)
Uselect (static)
twist 270°
10 %
FH
driving voltage
Unonselect 1.134 Unonselect
- Mux
1 : 2 : quasistatisch, hoher Kontrast
- Mux 1 : 64 : praktisch kein Kontrast
(T10 - T90) : CR = 9 : 1
(T90 - T85) : CR ≈ 1 : 1
Bla
Optimierung bei Multiplex - Ansteuerung
- LC mit steiler Kennlinie wählen (STN)
- verschiebe Unonselect und Uselect (= R Unonselect) mittels der
sogenannten Kontrastspannung in den Bereich der höchsten
Steigung der elektro-optischen Kurve (
→ (T70 - T30)
)
CR ≈ 2,3 : 1
→ - besserer aber immer noch kleiner Kontrast
- 'Ghosting' der nicht ausgewählten Pixel (rechts)
- geringe Graustufenfähigkeit
28 / 81
Abhängigkeit von Kontrast und Multiplexrate
TN
STN
90 ° / 12 °°
90 ° / 12 °°
φ
φ
20°
40°
θ
180 ° / 9 °°
stat ic
1 :4
1 : 16
2 70 ° / 6 °°
20°
0 ° / 3 °°
40°
Pf
180 ° / 9 °°
θ
0 ° / 3 °°
1 : 64
1 : 24 0
2 70 ° / 6 °°
FH
Elektrische Eigenschaften der Flüssigkristalle
- Ansteuerspannung muß mit der Multiplexrate gesteigert werden
- Schaltzeiten erhöhen sich mit der Multiplexrate
- Schaltzeiten verringern sich bei höheren Temperaturen
- der maximal erreichbare Kontrast verringert sich bei steigender Multiplexrate
- der vertikale Blickwinkel verringert sich mit der Multiplexrate
- STN (270°) ermöglicht eine 10-20* höhere Multiplexrate im Vergleich zu TN (90°)
Twist
Multiplex
Bla
bei gleichbleibendem Blickkegel
Bias
Betriebs-
Blickwinkel /°
spannung /V vertikal horizontal
@ 25°C /ms
Verhältnis
2,5 - 5
5 - 45
± 45
80 - 150
10 - 15
4
3 - 4,5
0 - 40
± 40
100 - 200
8 - 12
5
3-5
10 - 40
± 30
150 - 250
7 - 10
1/16
5
4-5
-20 - 45
± 50
200 - 300
6 - 15
1/64
3
9 - 15
0 - 45
± 45
200 - 300
4 - 12
1/128
13
15 - 20
5 - 45
± 45
250 - 350
4 - 10
1/240
17
20 - 25
5 - 40
± 45
250 - 350
4 - 10
1/8
1/16
STN
Kontrast-
3
1/4
TN
Schaltzeit
29 / 81
Optimierung bei Passiv - Matrix - Ansteuerung
Reduzierung der Multiplexrate für höheren Kontrast
Single Scan
Dual Scan
d riv er
d riv er 1
1
LC D
Pf
s
c
a
n
s
c
a
n
LC D
2
d riv er 2
Dual scan halbiert die Multiplexrate → höheres Kontrastverhältnis, aber höhere Kosten
durch Aufbringen des 2. Spaltentreibers (Anzahl der Spalten und Spalten bleibt konstant) und
Multi Line Addressing
FH
aufwändigere Signale
- auch Active Adressing oder High Power Adressing genannt
Bla
- 2 oder mehr Zeilen werden gleichzeitig angesteuert → Pulsbreite ↑ , Ueff ↑ → CR ↑
30 / 81
2.2.5.2 Aktiv - Matrix - Ansteuerung
- jedes Pixel wird mittels einem nichtlinearen Schaltelement adressiert:
- 3 Terminal Devices : Thin Film Transistor; Farb - VGA: (640*480*3): ≈ 106 TFTs
- 2 Terminal Devices : - Thin Film Diode (TFD, EPSON)
- Metall Insulator Metall (MIM, LFB Stuttgart, 4 Maskenprozeß)
Pf
- Aktiv - Matrix erlaubt 'Rückkehr' zur TN 90° Technologie
- Zeilensignal steuert TFT - Gate, die Datenspannung wird dann nur in dieser Zeile
auf den Speicherkondensator geleitet
→ höhere und unabhängige Daten - Spannungen möglich als bei Passiv - Matrix
Schaltplan
Typische Pixelform
Scan
Data
MOSFET
Bla
LC
Storage
capacitor
FH
→ Kontrast ↑, Graustufen ↑, maximale Pixelzahl ↑
Frontplane
- Scan und Datensignal auf einer Seite
- 1 Pixel = 3 Subpixel RGB
- 1 TFT pro Pixel (AM OLED : 2)
- Apertur ≈ 60%
- Speicherkondensator hält die Pixel-
- SXGA : 1280 * 1024 * 3 ≈ 4 *106 TFTs
spannung während einer Ansteuerperiode
31 / 81
Ansteuersignale für eine 2*2 Aktiv - Matrix
1
UD
Das Zeilensignal am Gate des
MOSFETs schaltet die
2 1 2
Data / Drain
0
UD
Spaltenspannung (Daten) auf das
Pixel und den Speicherkondensator.
0
Pf
Dieser hält die Pixelspannung
Ufp Frontplane
(geringe Selbstentladung) bis zur
nächsten Ansteuerung der Zeile
1
konstant. Die Frontplane bildet den
0
2. Teil des Pixels und wird zwecks
1 2
t
T
UG
Vermeidung von Gleichspannungs-
2
a
0
FH
effekten getoggelt.
UG
b
0
Scan / Gate
SXGA: 1 ... 1024
a
1
2 1 2
b
1
2 1 2
Bla
Scan
Data
-
FP
Active Matrix
due to cap
on !
Passive Matrix
reduced contrast
t
=
∆U
t
off !
An eingeschalteten Pixeln liegt die Maximalspannung an, alle ausgeschalteten Pixel haben
keine Spannung → TN 90° einsetzbar mit besserem Schalt- und Graustufenverhalten
32 / 81
2.2.5.3 Vergleich von Passiv- und Aktiv-Matrix - Ansteuerung
U drive
Die geringe Spannungsdifferenz von
Uselect - Unonselect bei Passiv - Matrix
active matrix
bewirkt :
passive matrix
0
1/1000 of frame period
for SXGA
- geringen Kontrast
Pf
- wenig Graustufen
T frame
- Ghosting von Pixel
U pixel
- Übersprechen der Signale
- komplexe Ansteuersignale
0
- Signalverzerrungen
- geringe Muxrate erlaubt nur eine
Storage capacitor !
Conductivity of LC
AM
(eingeschränkt videotauglich)
- temperaturempfindlich : Farbe,
FH
geringere Auflösung
- lange Schaltzeiten
PM
Contrast
Kontrast, Graustufen, Spannung, ...
C
C
0
eff
eff
(AM)
(PM)
Zusammenfassung für Matrixansteuerung (auch für andere Technologien)
Bla
- nichtlineare Eigenschaften sind für die Multiplexansteuerung erforderlich
- Passiv-Matrix ist bei LCDs, EL und (O)LEDs nur für kleine Pixelzahlen geeignet
- deutliche Verbesserung aller Eigenschaften bei Aktiv-Matrix
- Passiv-Matrix ist bei Plasmadisplays aufgrund der starken Nichtlinearität und der
schnellen Schaltzeiten ausreichend
Vergleich
Matrix
typisches Kontrastverhältnis
Blickwinkel (CR > 5:1)
horizontal
vertikal
Graustufen
typische maximale Auflösung
Farbwiedergabe
relativer Preis
Passiv
Aktiv
20 : 1
60°
50°
XGA
1
200 : 1
130°
80°
+
UXGA
+
2
33 / 81
FH
Pf
2.2.6 AMLCD - Modul
Nur 5 - 10 % des vom Backlight erzeugten Lichtes gelangen zum Betrachter, was
hauptsächlich vom Farbfiltern und den Polarisatoren verursacht wird
Bla
→ (quasi) aktiver Displaytyp
34 / 81
Unterschied zwischen amorphem und polykristallinem Silizium für TFTs
a-Si
geringe Elektronenbeweglichkeit
FH
Pf
amorphes Silizium wird bei 'normaler' TFT - Herstellung (CVD, Sputtern) 'erzeugt'
Poly-Si
Höhere Elektronenbeweglichkeit
erlaubt auf dem Glas integrierte Treiber
Bla
Glas kompatibler Niedertemperatur - Prozeß
Großflächiger Prozeß (bis zu 30")
Hochtemperatur - Prozeß, erfordert
spezielles Glas oder Quarz
Prozeß limitiert auf kleine Flächen
(bis zu 7")
Erfordert externe Treiber
Erlaubt integrierte Treiber
Geeignet für mittlere bis große AMLCD-Panel
Geeignet für kleine hochauflösende
AMCLD, z.B. 2" XGA für Projektoren
Alternativen: - laserbehandeltes a-Si (Spectra Physics)
- c-Si auf einem transparenten Substrat
35 / 81
2.2.7 Ansteuerung von LCD - Modulen
Sieben - Segment
direkt mit µC oder speziellem Controller
Alphanumerisch
spezieller LCD Controller oder µC mit LCD - Ausgang
Kleingrafik
spezieller LCD Controller
Hochauflösend
Analoger Videoeingang oder Digitaltreiber
Pf
- RS 232- und Analog-Ansteuerung (geeignet bis QVGA) bei kleine Stückzahlen geeignet
- Ziel : Minimierung der Anschlußpins zur Elektronik
2.2.7.1 Sieben - Segment - Kleingrafik
Prinzip
Bemerkung
IO-Pin von µC
µC
FH
- kein Multiplex
IO
Multimeter-IC
7106
Analog In
Column
Driver
Character-
GrafikController
µC
HD 44780
Bla
LCD
Column
Driver
µC
HD 61830
Common
Driver
RAM
Column
Driver
Bit-Grafik
- Anzahl der µC-IO's
limitiert Digits
Spezieller IC mit
AD-Wandler
- spezielle LCD-Controller
- teilweise in µC integriert
Mit Grafikbefehlen und
eingebautem CharacterGenerator
Der ganze Bildinhalt muß
im µC-RAM erstellt
µC
Common
Driver
werden und mit hoher
Datenrate zu den Treibern
RAM
übertragen werden
36 / 81
Character-LCD - Module
Empfehlung : Typen mit eingebautem Character - Generator und Display RAM einsetzen
Mux
RAM /bit
Segment
Common
HD 44780
4,5 - 6.5
1 : 16
640
100
32
SED 1520 (*)
2,7 - 7,0
1 : 32
2560
122
16
FH
(*) : auch für kleine Grafikanwendungen
Pf
Versorgung /V
Bla
Beispiel : LCD Charakter - Modul mit HD 44780
37 / 81
Initialisierung
Buchstabe ins
LCD RAM
Befehl
8 Bit Interface
3*
2 Zeilen, 5*7
Display an
Display CLS
Eingabemode
'A'
RS RW D7
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
Bla
Beispiel
FH
Pf
2 Zeilen LCD mit HD 44780
0
0
0
0
0
0
0
0
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
0
0
0
0
0
1
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
1
Pin- and Controller kompatibles VFD
38 / 81
2.2.7.2 Ansteuerung von Grafik-LCD - Modulen
Type
Beispiel
Eingebauter
240 * 64
Pros
- einfach
Controller
Cons
Typ. IC
- wenig Fonts
- HD 61830
- langsamer Bild-
- SED 1330
Modul mit
240 * 64
RAM
- geringe Leistungsaufnahme
- Ansteuern mit
Zeilen- und
Spalten-
320 * 240
(QVGA)
treibern
- alles muß programmiert werden
- ca. 200 kB RAM für
externem LCD-
4 Bit Graustufen
Controller
→ 16 Bit µC
FH
Nur mit
- T 6963
Pf
aufbau
- Ansteuern direkt
vom µC
- Datenrate ~ MHz
- kein Font
- keine Grafik
- oft nur s/w
Color
LCD's
RS 232
VGA
- Controller
Bla
Graphic
verfügbar
Grafik
Analog-
QVGA -
eingang
UXGA
- Preis
- CL GD 62xx
- PC - optimiert
- YG 610A
- einfache Befehle
- Preis
- kompatibel mit
- Preis
analog PC-Karten
PW 384
- Bildqualität
CL : CIRRUS LOGIC , T : TOSHIBA , YG : YAMAHA , PW : Pixelworks
39 / 81
Ansteuerung über RS232 - Interface
Bla
FH
Pf
Beispiel : LCD 128 * 64 von ELECTRONIC-ASSEMBLY (www.lcd-module.de)
Obiger Befehl zeichnet ein 128 * 64 großer Rechteck mit Ursprung rechts oben.
40 / 81
2.2.7.3 Ansteuern von hochauflösenden LCD - Panels
Arten : - digitale Ansteuerung mit hohen Datenraten und speziellen Controllern
- Analogeingang mit AD-Wandler im LCD-Modul
Beide Arten sind sehr komplex, deshalb sind kommerzielle Lösungen zu bevorzugen,
Pf
besonders bei kleinen Stückzahlen (make or buy)
Panel mit Analogeingang
R-Video-A/D
R -V id e o -A /D
G
G-Video-A/D
G-Video-A/D
3 x 6 bit
Daten
Spaltentreiberbank
FH
R
Zeile
B
B-Video-A/D
B-Video-A/D
Spaltentreiber 1
240
Spaltentreiber 2
240
Spaltentreiber 3
240
Spaltentreiber 4
240
GateTreiber 1
120
Buffer
Buffer
9 Analog-Spannungen für
Column Treiber D/A
Clock,
Latch,
Buffer
Buffer
Invert
Controller
Controller
IC
IC
Bla
LC-Spannungen,
LC-Spannungen,
Schwarzpegel,
Schwarzpegel,
Hellpegel, Kontrast
Hellpegel, Kontrast
Graustufenentzerrung
Graustufenentzerrung
SyncSyncseparator
separator
120
FrontplaneSignal
U1..U18
Regelung:
Regelung:
GateTreiber 2
PLL
PLL
VssModulation
Clocksignale
NTSC/PAL
NTSC/PAL
Synchronisation
Csync Vsync Hsync
Inverter
Inverterund
und
Dimmer
Dimmerfür
fürCFL
CFL
Spannungsversorgung für
Logik, Analogteil und Beleuchtung,
Referenzspannungserzeugung
Referenzspannungserzeugung
S
L
o
g
i
k
p
,
a
A
n
n
n
a
u
n
g
l o
g
t
s
e
v
i l
e
r
u
n
s
o
d
r
B
g
u
e
l
n
g
e
u
f
c
ü
h
r
t
u
n
g
,
Steuersignale
41 / 81
Panel mit Digitaleingang
IC 1
6 bit Rot
6 bit Grün
6 bit Blau
QVGA
QVGA
Controller
Controller
IC
IC
Hsync
Vsync
Pf
Clock
5" QVGA
parallele,
•
digitale
Schnittstelle
320 x 240 (234)
D/A
D/A
DC/DC-Wandler
DC/DC-Wandler
Pixel Pitch: 320 µm
FunktionsdatenFunktionsdatenRegister
(EE)PROM
Register(EE)PROM
Referenzspannungen
Referenzspannungen
für Graustufenentzerrung
für Graustufenentzerrung
FH
VersorgungsVersorgungsspannungen
spannungen
Buffer/
Buffer/
Speicher
Speicher
Referenz-
IC 3
IC 2
Datenrate
Wandler (extern) für Hinterleuchtung
spannungen
Datenrate = Auflösung * RGB Farben * Farbtiefe * Bildwiederholrate
Norm
VGA
SVGA
XGA
SXGA
SXGAW
UXGA
HDTV
UXGAW
QXGA
Bla
Beispiel : XGA : 1024 * 768 * 3 * 8 Bit * 60 Hz = 1,1 GBit/s
Auflösung
640 * 480
800 * 600
1024 * 768
1280 * 1024
1600 * 1024
1600 * 1200
1920 * 1080
1800 * 1200
2048 * 1596
Pixel Clock / MHz
Datenrate / GBit/s
(Auflösung * Bildrate 60 Hz)
(8 Bit Farben)
18,5
28,8
47
78
98
115
124
130
196
0,45
0,7
1,1
1,9
2,4
2,8
3,0
3,1
4,7
42 / 81
Ansteuerung von PC - kompatiblen Flachdisplays
Analog
Digital
Prinzip
- kompatible mit Standard - Grafikkarten
- unbeeinflußt gute Bildqualität
Pf
Pros
- geringere Kosten falls Standard
Cons
- Verlust an Bildqualität (DAC-ADC)
- noch nicht Standard
- höhere Kosten
- BIOS - Anpassung einzelner Typen
Datenrate /Mbps
Leistungsaufnahme
EMV - Empfindlichkeit
EMI - Emission
Spannungshub /V
Abschlußwiderstand
LVDS / TMDS
PECL
RS422/485
TTL
> 400
gering
gering
gering
0,3
1* 100Ω
> 400
mittel
mittel
mittel
0,8
1* 100Ω +
2* 220Ω
<1
hoch
< 50
hoch
mittel
mittel
3,5
422 : 1* 100Ω
485 : 2* 50Ω
< 1200
mittel
< 100
hoch
hoch
hoch
3,7
Unterschiedlich
<1
gering
< 15
mittel
Bla
Kabellänge /m
Relativer Preis
FH
Vergleich industrieller digitaler Übertragungs - Standards
Standardkabel mit 20 - 50 Leitungen erlaubt nur Kabellängen bis 50 cm !
Ziel von LVDS und TMDS: Reduktion der Leitungszahl und größere Länge
- Verwendung von Twisted Pair
- Multiplexing - De-multiplexing
- 0 und 1 sind als Spannungsdifferenz anstelle vom Pegel (low, high) definiert
- 'kleine' Kabel sind bei Laptops notwendig
- LVDS wrd auch bei Digitalkameras eingesetzt
- Problem : Statische Aufladung der Leitungen falls viele '0' oder '1' hintereinander
übertragen werden → Bitinversion
- beide Übertragungsverfahren sind etabliert
43 / 81
2.2.8 Hinterleuchtung von LCDs
Notwendig bei transmissiven und transflektiven LCDs, vor allem bei Farb - LCDs
Anforderungen
- gleichmäßige Leuchtdichte
- dimmbar ohne Flackern
- niedrige Leistungsaufnahme
- geringer Raumbedarf
- niedrige Bauhöhe
- geringes Gewicht
- geringe Wärmeentwicklung
- freie Farbwahl
- weiter Temperaturbereich
- hohe Lebensdauer
- niedriger Preis
Pf
- hohe Leuchtdichte
aber: diese Anforderungen sind (wie überall) nicht gleichzeitig erfüllbar !
HL-LED
Farben
EL
Weiß
R,G,B, orange,
(Farbe mit Filtern)
gelb, weiß
FH
R,G,B, orange, gelb
CCFL
≈ 50 cd/m²
≈ 150 cd/m²
nicht möglich
≈ 150 cd/m²
≈ 1200 cd/m²
≈ 50 cd/m²
Betriebsspannung
2 – 5 V pro LED
300 – 1300 V AC
50 – 200 V AC
Wechselspannung
DC
30 – 100 kHz
200 – 1000 Hz
Helligkeitsregelung
einfach
aufwändig
eingeschränkt
Leistungsaufnahme
mittel - hoch
gering
gering
Leuchtdichte bei seitlicher Einkopplung
Leuchtdichte bei Ein-
Bla
kopplung von unten
Wärmeentwicklung
mittel - hoch
gering – mittel
gering
L pro mA @ 5V
≈ 0,3 cd/m²
≈ 2,5 cd/m²
≈ 1,25 cd/m²
Betriebstemperatur
- 40 ... + 85 °C
- 30 ... + 85 °C
0 ... + 50 °C
Lagertemperatur
- 55 ... + 85 °C
- 40 ... + 85 °C
- 30 ... + 60 °C
≈ 120.000 h
≈ 70.000 h
≈ 10.000 h
Unterbrechung
Inverterelektronik,
Inverterelektronik
LED-Bond, Lötstellen
mechanische
Lebensdauer (L 50%)
Ausfallursachen
Schäden
Bautiefe
Bemerkung
1,5 – 7 mm
5 – 20 mm
0,7 – 1,5 mm
evt. auch OLED bzw.
Dimmung aufwändig
Inverterfrequenz
PLED
im Hörbereich
44 / 81
EL
Bla
CCFL
FH
Pf
LED
45 / 81
2.2.9 Kontaktierung von LCDs
- Kontaktierung ist notwendig für Anschluß des Displaymoduls an die Ansteuerelektronik
- Ziel ist die Reduzierung der Kontaktzahl zur 'Außenwelt'
z.B. Farb-VGA : 3 * 640 + 480 = 2400 Anschlüsse zu den Treibern auf dem Glassubstrat
typische Pixeltriplet-Breite 0,3 mm (RGB) = 0,1 mm pro Farbsubpixel (Dot)
Pf
minimal handelsüblich 8" VGA (4:3 Seitenverhältnis) → Breite ca. 160 mm
→ Pitch beträgt dann 160 mm / (640 * 3) = 0,08 mm = 80 µm
Dicke
Länge / Breite
Einsatzgebiete
Wärme / Feuchte
Kosten
Kontakt mit PCB
Zebra
Heat Seal
COG
Segment
O
+
Grafik
+
Grafik
O
O
kleben / Druck
+
+
anisotroper
Leitkleber
kleiner Pitch
O
löten
Vorteile
einfach
Alphanumerisch,
Kleingrafik
Druck
Baugröße, nur
großer Pitch
einfach
einfach,
biegsames
Anschlußkabel
Handmontage
Bla
Nachteile
PIN
FH
Technologien
aufwändig
Vergleich der Pitch - Abstände
Pitch /µm
Pin
Zebra
50 100
200
400
>1000
Heat Seal
TAB
COG
46 / 81
Pf
Pin - Connector
Heat Seal
Bla
FH
Zebra
Chip on glas (COG)
47 / 81
2.3 Plasma Displays
- einzig kommerziell verfügbare Flachbildtechnologie mit großer Bilddiagonale
(≥ 42’’, Auflösung ≥ VGA, Bildformat 16:9)
- Lichterzeugung durch Plasmaeffekt (vergleichbar den Neonröhren)
- Farberzeugung durch Phosphore auf der dem Betrachter zugewandten Seite (vgl. CRT)
Pf
- Effizienz um etwa 2 Größenordnungen kleiner als bei Leuchtstoffröhren
Prinzip
- Zünden des Plasmas
vom Phosphor in sichtbares gewandelt wird
- Adressleitungen = Spalte
- horizontale Busleitungen
als Zeilen- und Halte-
FH
erzeugt UV-Licht, das
Bla
elektrode
- Zeilenelektroden sind
einzeln selektierbar
- alle Haltelektroden sind
kammförmig miteinander
verzahnt
- 3 Subpixel (RGB) mit
entsprechenden
Phoshoren
48 / 81
Prinzipielles Ansteuersignal
- Ansteuerung: Wechselspannung von etwa 500 V und 50 kHz
- zwischen Zeilen- und Halteleitung liegt ständig eine subkritische Spannung
- Plasmazündung durch Spaltenleitung (Matrixprinzip)
- Wechselspannung Uwall erzeugt Lichtpulse
Bla
FH
Pf
- Graustufen durch Subframes unterschiedlicher Dauer
49 / 81
Bla
FH
Pf
Blockdiagramm
50 / 81
2.4 Vakuumfluoreszenz - Technologie
- flache Elektronenstrahlröhren
- waren in den ersten Taschenrechnern, später von LCDs verdrängt (Stromverbrauch)
Funktionsweise
- Triodenprinzip der Elektronenröhre
Pf
- heute in Haushalts- und HiFi-Geräten bzw. US-Autos (Uhren) etabliert
- Kathode (10 µm dicke Heizfäden) verdampft Elektronen
- beschleunigt durch Gitterspannung (ca. 50 V)
- Gitter hat charakteristische Wabenstruktur
FH
- phosphorbeschichtete Anode (ca. 100 V liegt) zur Fluoreszenz - Anregung
- Lichterzeugung auf der dem Betrachter zugewandten Seite
- Leuchtdichte bis zu 30.000 cd/m²
- großer Blickwinkel, hoher Kontrast, große Lebensdauer
- nachteilig ist das schlechte Verhältnis von aktiver Displayfläche zu mechanischer Größe
Seitenansicht
Bla
- eingeschränkte Farbtauglichkeit
51 / 81
Beispiele
VFD- 7 - Segment + Symbole für
FH
Pf
Aufbau
Bla
Mikrowellenherd (Spende FUTABA)
VFD 4*20 Zeichen
(LCD - kompatibel)
(Spende NORITAKE)
Farbanzeige SAMSUNG
Grafikdisplays ebenfalls möglich
52 / 81
Ansteuerprinzip
oft mit LCD - kompatiblem Interface
Bla
FH
Pf
Beispiel für 4 Ziffern - Anzeige
53 / 81
2.5 (O)LEDs
Technologieunabhängig : kürzeste Schaltzeiten und höchste Leuchtdichte (Multiplex !)
2.5.1 Halbleiter-LEDs
- Halbleiterbauelement, daher Umwelteinflüsse (T, Vibration) weitgehend unkritisch
Pf
- Nichtgleichgewichts - Zustand (mehr Ladungsträger im Leitungs- als im Valenzband)
- der typische Wirkungsgrad nimmt mit der Wellenlänge zu :
Farbe
ηext
blau
grün
0,0005
0,001 - 0,01
Schichtaufbau
rot
IR
0,01 - 0,2
0,05 - 0,3
Abstrahlcharakteristik
FH
Abstrahlwinkel ist begrenzt durch
Totalreflexion, kann durch diffuse
Bla
Strukturen vergrößert werden
Spektrale Emission (OLED ähnlich)
54 / 81
Pf
7-Segment - Anzeigen
FH
Bei großen Ziffern werden pro Segment mehrere LEDs in Reihe geschaltet.
Bla
Ansteuerung mit LED - Controller
55 / 81
Matrixanzeigen
Die Spanne reicht von kleinen
Beispiel Außenanzeige ICE2
Modulen bis hin zu daraus
aufgebauten farbigen Videowänden
mit einer Fläche 1 - 50 m² mit Kosten
Bla
FH
Pf
von ca. 50.000 DM/m²
Hohe Leuchtdichte der Einzel - LED erforderlich
wegen Zeilenscan
VGA : 640 * 480 * 3 = 921.600 LEDs mit Leistungsaufnahme (2V, 20 mA) : 37 kW !!
56 / 81
2.5.2 Neue LED-Materialien
Schichtaufbau
Organische
Effizienz *
Leuchtdichte **
/ Lm/W
/ cd/m² @ 6V
~ 10
1.000
Kathode: Alu
Elektronentransportierende
und lichterzeugende Schicht
LED
ca. 5 V
Löchertransportschicht
Pf
ITO
Glas
(OLED)
Light
Emitting
Polymer
~ 10
5.000
FH
(LEP)
ca. 5 V
Kathode: Alu
Polymerschicht
ITO
Glas
(*) : Tendenz steigend, Vergleich: Glühbirne 20 Lm/W ; Neonröhre 70 Lm/W
aber CRT 1 Lm/W, AMLCD: 2 Lm/W
(**) : Tendenz steigend, OLEDs und LEPs bis 106 cd/m² im Labor
- derzeit Lebensdauer ≈ 5.000 h und Kfz-Temperaturbereich möglich (OLED-Autoradio)
- Herstellung
Bla
- OLED im Vakuum bzw. unter Inertgas - Atmosphäre mit Schattenmasken
- LEP mit InkJet - Druckverfahren oder Spincoaten
Pros
Cons
- niedrige Betriebsspannung
- Verfügbarkeit
- multiplexbar (Schaltzeit und Leuchtdichte)
- geringe Lebensdauer vor allem bei
- geringerer Stromverbrauch als HL-LED
hohen Leuchtdichten
- großer Blickwinkel (> LCD und HL-LED)
- wenig Erfahrung
- Flachdisplay
- 'Rennen' zwischen OLEDs und LEPs
- selbstleuchtend mit hohem Kontrast
noch offen
- größtes Potential aller neuen Technologien
57 / 81
OLED Duty-Cycle - Leuchtdichte
Leuchtdichte /cd/m²
800
600
Gleichspannung
1:1
1:4
1 : 40
400
200
0
2
3
4
5
6
Pf
Spannung /V
- hohe Leuchtdichten für Passiv - Matrix OLEDs erforderlich
- getaktete Leuchtdichte ∼ Tastverhältnis
- Aktiv - Matrix
Bla
- Passiv - Matrix
FH
Matrix - Anzeigen
2 polykristalline TFTs pro Subpixel erforderlich !
58 / 81
7
2.6 Elektro - Lumineszenz - Technologie
- selbstemittierende Festkörperbauelemente → robust
- einfacher Aufbau
- Elektro - Luminenszenz - Schicht aus dotiertem ZnS (Phosphoreigenschaften wie CRT)
- Phosphor - Schichtdicke ca. 1 - 100 µm, d.h. auch transparente Displays möglich
- Anregung leuchtfähiger Zentren durch Elektronen (Feldstärke ~ 105 V/cm)
Pf
- Anwendungen : Matrix - Displays, Folien zur LCD- und Schalter - Hinterleuchtung
- Folien kostengünstig durch Siebdruckverfahren herstellbar
Bla
Ansteuerparameter
FH
- keine Blickwinkelabhängigkeit
- unterschiedlichen Spannungen für RGB erschweren die Realisierung von Farbanzeigen
- hohe Spannungen → teure Treiberbauelemente
- relativ geringer Wirkungsgrad
59 / 81
Matrixaufbau für (Farb-) Displays
Pf
Prinzip wie Passiv - Matrix LCDs
monochromes EL - Display
(Spende PLANAR)
Farbige EL - Matrixanzeigen können durch RGB - Phosphore oder durch 'Farbe aus Weiß'
FH
(weißes EL - Licht wird durch RGB - Filter 'farbig') realisiert werden. RGB - Farben sind nicht
in ausreichendem Maße verfügbar → Entwicklung fast überall gestoppt
EL - Folien
Bla
- flexibel
- für Flächenanzeigen (Symbole) oder
zur LCD - Hinterleuchtung
- Kapazität Caktiv 0,3 - 0,6 nF/cm² (@ 150 VAC, 400Hz )
- Kapazität ~ Leuchtfläche
→ Inverterbelastung ~ Leuchtfläche
- praktisch nur Blindstrom
→ keine Erwärmung der EL - Folie
60 / 81
Treiber für EL - Folien
- Kosten, Gewicht, Volumen, Zuverlässigkeit, Wirkungsgrad
- Stromform: Rechteck (Streß des Systems), Puls, harmonisch
- Einstellbare Parameter: Frequenz, Spannung
- geregelter oder gesteuerter Betrieb: Ausgangsspannung oder Leuchtdichte
- Überwachung: Strom (Schutz EL und Inverter), Übertemperatur, Spannung
- dimmbar
Pf
- Abgleich der Initialhelligkeit
EL - Treiber - Technologien
Prinzip
Inverter
- 'Rechteck' streßt EL
FH
Rechteck-
Merkmale
- einfacher Aufbau
- nicht dimmbar
Selbstschwinger
- sinusähnlichen Strom
- Wirkungsgrad durchschnittlich
- kostengünstig
Bla
- gute EMV - Eigenschaften
- nicht dimmbar
- Parallelbetrieb zur Leistungssteigerung
und Redundanz
PWM Inverter
- Frequenz einstellbar
- idealer, harmonischer Stromverlauf
EL-Treiber
mit
- hoher Wirkungsgrad
Transfor-
- galvanische Trennung
mator
- dimmbar
61 / 81
3. Messungen
Notwendig für
- Evaluierung
- Messung der Applikations - Anforderungen
- Vergleich unterschiedlicher Displays und Technologien
hier : Schwerpunkt auf optischen Parametern
Pf
- ...
Weitere Aspekte - Ansteuerung, EMV, Stromversorgung, Temperatureffekte, Vibration, ...
- Schaltzeiten z. B. bei Passiv - Matrix LCDs (STN)
FH
- ...
Grundlegende (elektro-) optische Meßparameter
- Leuchtdichte *
- Kontrast *
- Farbe *
- CRTs : Bildgröße, Linearität, Konvergenz, Spot, ...
- ...
Bla
(*) : Parameter für Messungen mit Umgebungslicht
Bedingungen - Einschalten
L
- Gleichmäßigkeit
- Blickwinkel
t
9 - P u n kt - M e ss ung
- Langzeitstabilität
- Lebensdauer
z
- Temperatur
θ
- ...
90 ° / 12 °°
y
Φ
180 ° / 9 °°
0 ° / 3 °°
D is
p lay
x
2 70 ° / 6 °°
62 / 81
3.1 Leuchtdichte
- [L] = cd/m²
- Leuchtdichte ist der wichtigste Parameter bei optischen Displaymessungen
- Messungen z. B. maximale Leuchtdichte, Gleichmäßigkeit, Graustufen, Blickwinkel, ...
- Meßwert für Kontrastbestimmung (s. u.)
Pf
- die maximale Leuchtdichte ist ein Marketingargument für LCD - Monitore, dies ist aber
nicht das entscheidende Äquivalent für die Ablesbarkeit (siehe Umgebungslicht)
- Meßprinzip : lichtempfindlicher Sensor mit Augenempfindlichkeitskurve V(λ)
- Meßgeräte : - einfache Sensoren, oft mit PC - Interface für automatischen Test
FH
- Farbmessgeräte
- Leuchtdichte (Sender) nicht mit Helligkeit (Empfänger) verwechseln !
Applikationsanforderungen
typische Leuchtdichte / cd/m²
Luftfahrt, Militär, Präsentation
5000
CAD, CAE, Multimedia, Simulation
300
- Sonne am Mittag
108 cd/m²
- Mond
102 cd/m²
- Glühbirne
105 cd/m²
- Xenon - Lampe
108 cd/m²
Bla
Vergleich
Bemerkungen - die meisten Firmenangaben beziehen sich auf Dunkelheit
→ Sensor direkt auf Bildschirmoberfläche (Abschirmung)
- Meßfleck ≥ 25 Pixel für Monitore, sonst Einzelpixel - Messung
- maximale Leuchtdichte wird oft in Bildschirmmitte gemessen
- Gleichmäßigkeit ist bei Videobeamern oft unbefriedigend :
heller Spot in der Mitte und starker Abfall zum Rand
63 / 81
3.2 Kontrast
- Verhältnis der Leuchtdichte von weißen und schwarzen Pixeln oder Fläche
- Berechnung über Leuchtdichtemessungen
- unterschiedliche Bezeichnungen : - Pixel / Fläche weiß : on, select, bright
- Pixel / Fläche schwarz : off, non-select, dark
Kontrastverhältnis
CR =
Pf
- Umgebungslicht hat starken Einfuß auf den Kontrast (s. u.)
L on
L off
Beispiel: Papier ca. 10 : 1
- Angabe üblich als großer Wert : kleiner Wert
FH
Bemerkungen :
- menschlicher Bereich : CR = 3 : 1 - 500 : 1
- CR ≈ 10 : 1 wird für ermüdungsfreien Sehen empfohlen (Papier !)
- große Kontraste 'blenden' (entgegenkommendes Auto bei Nacht) !
- Meßwerte kritisch beurteilen, da relativ großer Meßfehler bei Loff
Messungen
CRT
Bla
LCD
LCD Contrast Ratio @ 0lx / Horizontal Scan
150
120
90
60
30
0
-40
-20
0
20
40
Angle /°
- Blickwinkel nur mit Kontrastangabe !
- Modulations Transfer Funktion
- CR bis typ. 300 : 1
('0 - 1' - Zyklen pro mm)
- Kontrast durch Video-Bandbreite limitiert
64 / 81
3.3 Farbe
'Das menschliche Sehen kann als Strahlungsdetektor mit Signalverarbeitung und adaptiven
Fähigkeiten beschrieben werden. Demzufolge sind objektive Meßverfahren zur Bestimmung
von Farben notwendig'
Pf
Beispiele : - Beleuchtung in Lebensmittelgeschäften bei Fleisch und Obst oft rötlich um
einen 'frischen' Eindruck hervorzurufen
- Bekleidungsgeschäfte haben Tageslichtfenster zur Anprobe
- elektronische Kameras benötigen Weißabgleich für 'natürliche' Farben
Notwendigkeit für Farbmessungen :
FH
- menschliches Sehen ist nur deskriptiv
- Farbeindruck hängt von der Beleuchtung ab
- unterschiedliche Eingangssignale (Spektren) können dasselbe 'Farbsignal' hervorrufen
Color Management
- durchgängige Farbtreue vom Display oder Scanner zum Drucker
→ Notwendigkeit für Farbmessungen und Standardbeleuchtung
- Beispiel: Firmenlogo sollte weltweit identisch sein, auch bei
Bla
unterschiedlichen Materialien und Umgebungslicht
'Weiße' Spektren verschiedener Displaytechnolgien
LED
Spectrum LCD white
Spectrum LED white
rel. Intensity
rel. Intensity
Spectrum CRT white
LCD
380 420 460 500 540 580 620 660 700
wavelength /nm
380 420 460 500 540 580 620 660 700
wavelength /nm
rel. Intensity
CRT
380 420 460 500 540 580 620 660 700
wavelength /nm
→ - welches Display zeigt das 'wahre' Weiß ?
- Farbsysteme zur Farbbestimmung und -vergleich sind demzufolge notwendig !
65 / 81
3.3.1 CIE 1931 - Farbraum
- CIE : Commission Internationale d'Éclairage, 1931 : Jahr der Standardisierung
- CIE 1931 wird trotz einiger Schwächen heute noch verwendet
- auch als 'Lxy' bezeichnet in logischer Übereinstimmung mit anderen Farbmodellen
- Farbkoordinaten für
- Gamut (Farbumfang)
Pf
- Color Management
- Blickwinkelabhängigkeit von LCDs
- Farbkodierung (Human Machine Interface)
- Einfluß von Umgebungslicht
Meßverfahren für CIE - Werte
FH
- Messung der spektralen Emission eines beleuchteten oder emissiven Gerätes
- Multiplikation des Spektrums mit Normspektralwertfunktionen x (rot),y (grün),z (blau)
- Ergebnis sind die CIE Tristimulus Werte X, Y, Z, welche dann transformiert werden
X
Y
; y=
(links mit RGB - Dreieck für Bildschirme)
X+Y+Z
X+Y+Z
Bla
- x=
Farbdifferenzen sind bei CIE 1931 koordinatenabhängig (MacAdam Ellipsen, rechts) :
starke Empfindlichkeit bei Blau für kleine Differenzen ∆x und ∆y im Gegensatz zu Grün
66 / 81
3.3.2 Neuere Farbnormen
CIE 1976 UCS (Uniform Chromaticity Scale)
- lineare Transformation der Normfarbwerte XYZ
- alternative Bezeichnung Lu'v'
- zur Displaymessung empfohlen gemäß ISO 13406-2
4X
4x
=
− 2 x + 12 y + 3
X + 15 Y + 3 Z
9Y
9y
=
v' =
− 2 x + 12 y + 3
X + 15 Y + 3 Z
u' =
Pf
- Transformation
CIE 1976 UCS LCD 0Lx
primaries and color inks ; perpendicular view
0,6
FH
v'
0,5
red
white
blue
yellow
green
cyan
magenta
0,4
0,3
0,2
0,3
u'
0,4
Bla
0,1
1976 CIELAB und CIELUV
- nichtlineare Transformation von XYZ
- konstante Farbdifferenzen → Farbabstandsformel
- CIELUV
1


3


Y
16 

L * = 116   −
; u * = 13 L * ( u' − u'n ) ; v * = 13 L * ( v' − v'n )
  Yn 
116 


u' , v' :1976 CIE UCS ; index ' n' : value for White
color difference : ∆ E * uv =
(∆ L * )2 + (∆ u * )2 + (∆ v * )2
- ∆E = 1 ist erkennbar, ∆E > 5 deutlich sichtbar
- auch als L*a*b* bzw. L*u*v* bezeichnet
67 / 81
RGB - Farbraum
- RGB
: additive Farbmischung der Primärfarben
- CMYK : subtraktive Mischung z.B. Drucker
- Anwendung bei elektronischen Displays zur Farbgenerierung
FH
Pf
- aber Messung nach CIE
- relative Werte 0 ... 1 (z.B. 0 ... 255 für 8 Bit Grauskala)
- R = G = B = 1 : weiß
Bla
Meßgeräte zur Farbbestimmung
Monochromator
Prinzip
Colorimeter
Spektrum wird als Intensität für jede Licht wird mit 3 Sensoren mit speziellen
Wellenlänge gemessen. Die
Filtern (Normspektralwert - Funktionen)
Farbkoordinaten werden gemäß
gemessen. Die Farbkoordinaten werden
dem Farbmodell berechnet.
gemäß dem Farbmodell berechnet.
Pros
Hohe Genauigkeit
Schnell, billig
Cons
Langsames Meßverfahren
Begrenzte Genauigkeit
Ein 'vernünftigen' Kompromiß ist ein Spektroradiometer, welches das komplette Spek-trum
mit einem Zeilensensor simultan mißt. Dies stellt ein schnelles, genaues und gün-stiges
Meßverfahren dar, bei dem das Display durch ein Objektiv angepeilt werden kann.
68 / 81
3.4 Farberzeugung bei Elektronischen Displays
- gemeinsames Prinzip : additive Farbmischung mit RGB Subpixeln
- Anordnung der Pixel hängt von der Technologie ab
- Direktsicht - Displays haben sequentielle Subpixel, bei 3-Panel-Beamern übereinander
Schlitz - Streifen - Maske
Streifenmaske
FH
Lochmaske
Pf
3.4.1 CRT Maskentechnologien
- Effekte der Pixelkonfiguration s. u.
- Aufgabe: Auftreffen jedes Farbstrahls nur auf dem betreffenden Phosphor (Konvergenz)
Bla
- diese Schattenmasken können sich erwärmen, schwingen, ... → Bildqualität sinkt
3.4.2 Flachdisplay - Pixelanordnung
Direktsicht (links)
Bei 3 - Panel - Beamern liegen
die drei Farb - Subpixel auf der
Leinwand übereinander !
→ höhere Bildqualität
69 / 81
3.4.3 Vergleich CRT - Flachdisplay
- die Bilder zeigen alle 'Weiß'
- bei der Streifenmaske ist in der Mitte ein Stabilisierungsdraht sichtbar
- Streifenmasken habe eine höhere Leuchtdichte als Lochmasken
- Bildunschärfe bei CRTs durch Gaußförmiges Strahlprofil (wirkt verbreiternd)
CRT Streifenmaske
Flachdisplay (LCD)
Bla
FH
Pf
CRT Lochmaske
CRT-Bilddiagonale bezeichnet die gesamte Röhrengröße inklusive den nicht sichtbaren
Bereichen. Nach DIN muß demzufolge die sichtbare Diagonale in 'cm' angegeben werden
bei Flachdisplays : sichtbare Diagonale - Panelgröße
Beispiel : 17" CRT entspricht von der sichtbaren Fläche einem 15" Flachdisplay
70 / 81
Bildanpassung bei verschiedenen Auflösungen und Bildfrequenzen
- Darstellung verschiedener Auflösungen, z.B. Video auf XGA - Bildschirm
- CRT - Multisync - Monitore sind hier weitgehend problemlos einsetzbar
- bei Flachdisplays ist die Pixelzahl fix, d.h. verschiedene Auflösung sind 'anzupassen'
Pf
→ Scaling - Prozessoren zur Anpassung
Tip: beste Bildqualität wenn Signalauflösung = Displayauflösung
Anpassung der Auflösung (Pixelzahl)
FH
Beispiel : SVGA Beamer : XGA komprimiert, VGA und Video expandiert → Artefakte
Expansion (nicht maßstäblich)
Bla
Kompression (nicht maßstäblich)
- bei Farbbildern treten auch Farbverschiebungen auf
- weitere erforderliche Maßnahmen bei Multimedia - Wiedergabe :
- De-Interlacing (interlaced Standard-Video → non-interlaced CRT oder Flachdisplay)
- Frame Rate Conversion (50 Hz Video → 75 Hz CRT-Monitor oder 60 Hz LCD)
71 / 81
Graustufen
... zur Darstellung von Bildern und Grafiken; Kleinanzeigen können nur '0' - '1' !
Pf
Video RAM = Auflösung * 3 (RGB-Farben) * # Bit Graustufen
Beispiel : 1024 * 768 * 3 * 8 Bit = 18,9 MBit = 2,4 MByte
Grafikspeicher
Graustufen
4 Bit
/MByte
Farbanzahl
VGA
640*480
SVGA
800*600
XGA
1024*768
16 Bit
24 Bit
(8 bit per color)
16
256
65.565
16.7 106
0,15
0,3
0,6
0,9
0,24
0,47
1,0
1,4
0,39
0,78
1,5
2,4
FH
Resolution
8 Bit
Bla
Elektro - optische Kurve für CRTs und LCDs
(Flach) Displays sind aufgrund Standardisierung an die CRT-Kurve anzupassen !
72 / 81
3.5 Öffnungswinkel und Blickwinkel
- hauptsächlich für LCDs relevant
- 'Öffnungswinkel' (Kegel) bezeichnet die geometrisch auftretenden Maximalwinkel (2D)
- 'Blickwinkel' bezeichnet nur 1 Dimension (1D), z.B. horizontal oder vertikal
- die Blickwinkelabhängigkeit reduziert den Kontrast und den Farbumfang
- Aktiv - Matrix LCDs (TN) haben größere Blickwinkel als Passiv - Matrix STN - LCDs
Berechnung des 'Viewing Cone' aus
Betrachtungsabstand und
180° / 9°°
Bildschirmgröße
Pf
90° / 12°°
Beispiel für Iso - Kontrast Plot
Φ
Wird sinngemäß auch für
Farbverschiebungen verwendet
FH
20°
40°
15°
θ
0° / 3°°
contrast
10 : 1
viewing cone
for 17" at 50 cm
270° / 6°°
Messgeräte
GonoScope
Pros
- 'Open frame' für Messungen mit
'beliebigen' Umgebungslicht
ConoScope
- schnelles Verfahren (~ 30 sec) zur
Bestimmung des Iso-Kontrast Plots
Bla
- billiger Sensor
- einfache 1D - Blickwinkelmessung
Cons
- hohe mechanische Präzision
- teuer
- Meßdauer (≈ 2 Stunden für
- 'ungenauer' Sensor (CCD)
Iso - Kontrast Plot)
Prinzip
- nur Umgebungslicht - Simulation
73 / 81
3.6 Umgebungslicht : Effekte und Optimierung
- Reflexionen des Umgebungslichtes auf dem Bildschirm 'überschreiben' dessen Inhalt
- alle Reflexionen (auch geringe) reduzieren Kontrast, Farbumfang und Graustufen
Beispiel : Umgebungslichtbedingungen für Automobil -
Pf
Ambient Brightness on Instrument Cluster
direct sunlight
ambient sunlight
clouds
city by night
night outside city
10
1.000
100
10.000
100.000
FH
1
Ambient Brightness /lx
Kontrast - Umgebungslicht - Displayart
Contrast ratio =
Luminance of selected pixel
Luminance of nonselected pixel
Indoor
500 : 1
Bla
Night
Outdoor
Dimming
Human
viewing
range
Passive
Backlight
3:1
0.1
-3
Rods < 10
1
Rods & cones
10
Cones
Active
100
1000
Ambient light
density / cd/m²
- Aktive Display sind bei Umgebungslicht schlecht ablesbar, passive bei Dunkelheit
- durch Backlight und Dimmung sollte ein Kontrast von ca. 10 : 1 erzielt werden
74 / 81
Kontrastverhältnis bei Umgebungslicht
CR =
Lon
→
+ ambient light
Loff
CR =
Lon + Lreflected
Loff + Lreflected
Anmerkung : In den meisten Spezifikationen und Anzeigen wird das Kontrastverhältnis bei
Pf
absoluter Dunkelheit angegeben, was wenig praxisrelevant ist.
Messergebnisse bei Umgebungslicht
Contrast ratio
relative to 0 lx
Emissive Displays sind bei
Transflective LCD
1,40
starkem Umgebungslicht nicht
1,20
mehr ablesbar. Transmissive
1,00
0,80
0,40
0,20
0,00
1
Backlight auch im Hellen noch
FH
Transmissive LCD,
CR, Plasma, EL
0,60
LCDs können mit starkem
Transmissive LCD
with high power
backlight
10
100
1000
abgelesen werden. Passive
Displays sind am besten !
Anmerkung: Das Backlight des
transflektiven LCDs ist etwas
10000
zu schwach.
Ambient Brightness /lx
Bla
Graustufen
GCfAbiIl ii
log (Luminance)
0
-0,5
-1
-1,5
-2
-2,5
-1,25
Ambient Light
-1
-0,75
normalized values
-0,5
-0,25
0 lx
50 lx
200 lx
1000 lx
2000 lx
gamma = 2.3
0
log (Gray Scale)
Bei starkem Umgebungslicht sind kleine Graustufen (dunkle Bildteile) nicht mehr
unterscheidbar. Bei LCDs werden 'Schatten' auch bei 0 Lux schlecht aufgelöst !
75 / 81
Blickwinkel - Kontrast und Farbe bei LCDs
Beleuchtungsstärke
|
Leuchtdichte Lon
Lon /cd/m²
Farbe
LCD 0 lx Horizontal Scan
CIE 1931 LCD 0lx Horizontal Scan
100
0,6
y
0,5
80
60
Pf
0,4
0 lx
0,3
40
0,2
20
0,1
0
0
-40
-20
0
20
FH
Angle /°
LCD 1000 lx Horizontal Scan
Lon /cd/m²
200
1000 lx
40
160
120
80
40
0
-40
-20
0
20
0
0,2
0,4
x
0,6
LCD CIE 1931 1000 lx
Horizontal Scan
0,6
y
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
40
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
x 0,6
Bla
Angle /°
Einfluß auf die Leuchtdichte und den Kontrast
- Umgebungslicht aus einer bestimmten Richtung erhöht die Leuchtdichte selektiv
- an der Reflexionsstelle wird der Kontrast stark herabgesetzt
Einfluß auf die Farbe
- die Farben des Displays (hier RGB) werden zum Farbort der Beleuchtung verschoben
- bei weißem Licht spricht man vom 'Ausbleichen' der Farben
Blickwinkelabhängigkeit des Kontrastes und die Farbverschiebung müssen bei graphisch gestalterischen Aufgaben und Bildbearbeitung an LCD - Monitoren besonders beachtet
werden, ebenso wie der Einfluß von Umgebungslicht !
76 / 81
Anti - Reflexions - Maßnahmen
- alle Displays reflektieren das Umgebungslicht mehr oder weniger stark
- das reflektierte Licht addiert sich zur der vom Display erzeugten Leuchtdichte
Ausnahme sind reflektiv arbeitende Displays
- es gibt mehrere Methoden zur Entspiegelung
2
typischer Wert Luft - Glas : r ≈ 0,05 (5%)
Methoden
Pros
- gute Wirkung
Polarisation
- Kontrast kann - billig
verdoppelt
werden
Cons
Rauhe Oberfläche
FH
Antireflex-Schicht
Pf
 n' − 1
 mit n' für das Display
- Theorie: senkrechter Einfall auf Displays in Luft r = 
 n' + 1
- Farbfehler
- Preis
- Verkratzen
- empfindliche
Oberfläche
- Leuchtdichte-
- geringer Verlust
an Leuchtdichte
- Unschärfe
'Jalousie'
- billig
- eingeschränkter
Blickwinkel
(gut bei ATMs)
- geringe Transmission (0,3-0,7)
- eingeschränkter
Blickwinkel
Bla
einbuße
- Reflexion des
Polarisators
Prinzip
77 / 81
4. Technologievergleich
Display - Technologie und anwendungsspezifischen Parameter müssen zu dem Optimum für
das zu entwickelnde Produkt verknüpft werden (siehe Magic Circle) !
Technologie Video Kontrast weitere Vorteile
++
+
Nachteile
Preis,
hohe
großes Format,
Leistungsaufnahme,
Blickwinkel,
hohe Spannungen,
FH
CRT
Pf
4.1 Vergleich multimediafähiger Direktsicht - Technologien
Lebensdauer
|Ca.-Kosten
Potential
in DM/"
gering
20
Bautiefe, EMV,
Einbrennen
Billig, reflektiv für Blickwinkel,
Passiv LCD
o
-
outdoor,
Temperaturbereich
Leistungsauf-
active adressing, anti-ferro-
40
elektrische LCD
nahme
Plasma
++
+
++
teurer als Passiv-LCD,
Integrierte
Leistungsauf-
Lichtverlust durch
Treiber bei
nahme, reflective Apertur
poly-Si,
TFT, IPS
Preis ↓
Bla
AM LCD
Blickwinkel,
++
Großes Format,
teuer,
Blickwinkel
hohe
60
PALC
200
Leistungsaufnahme
EL
--
++
Mittleres
keine Videofarben,
Leistungs-
Einbrennen
Videofarben
150
Blickwinkel,
hohe Spannungen,
gering
300
Lebensdauer
Bautiefe, Gewicht
Diamant FED
200
vermögen
VFD
FED
-
-
++
+
Einfacher Aufbau hohe Spannungen
Fazit : Eine universell einsetzbare und optimale Displaytechnologie für alle Anwendungen
existiert (noch) nicht !
78 / 81
4.2 Industriemonitore
- Monitor, welcher in industrieller Umgebung genutzt wird, also auch ein 'Büromonitor'
oder ein speziell als 'Industriemonitor' entwickelter und gefertigter Bildschirm ?
- Veredelung aus Preisgründen von Büro- zu Industriemonitoren :
Blech- statt Plastikgehäuse, ... bereits ausreichend ?
Pf
- unterschiedliche Einsatzmöglichkeiten:
- Einsatz in der Warte mit 'Rund um die Uhr' - Betrieb
- Einsatz zur Bedienung vor Ort (Vibration, EMV, Temperatur, ... , ggf. Ex-Fähigkeit)
Typische Anforderungen und Eigenschaften für Büro- und Industriemonitore
Büro
Ausfallsicherheit
Einschaltzeit pro Tag
Lebensdauer
Verfügbarkeit
Temperaturbereich
Vibration
Schock
Ex-Fähigkeit
Statischer Bildanteil
Bilddiagonale
Tageslichttauglichkeit
Stecker, Kontakte
Schutzart
hoch
<8h
8 - 24 h
3 Jahre
> 5 Jahre
< 12 Monate
5 Jahre
5 - 40 °C
0 - 70° *
gering
3 g, 5 - 150 Hz
gering
100 g , 10 ms Halbsinus
eher gering
ja
nein
machbar
niedrig
hoch
≥ 17"
≥ 10"
nein
ggf. ja **
low cost
professionell
niedrig
bis IP 65
1
3
2-3
5-7
Relativer Preis bezogen auf
einen CRT-Büromonitor
Industrie
eher gering
Bla
EMV
FH
Anforderung
relativ hierzu AMLCD
(*) : Leitwarte, Schaltschrank (**) : z.B. Schienenfahrzeuge
79 / 81
Vergleich verschiedener Technologien bezüglich Industrieanforderungen
Technologie
CRT
LCD
Plasma
EL
VFD
FED
Leuchtdichte /cd/m²
100
300
200
150
1000
200
Tageslichttauglichkeit
nein
bedingt *
bedingt
möglich
möglich
bedingt
ja
ja
ja
ja
ja
ja
groß
mittel -
groß
groß
groß
groß
Einbrennen bzw.
Blickwinkel
groß
Temperaturbereich
0 - 60
0 - 60
möglich
nein -
/°C
Schock
möglich
möglich
EMV-Kosten
hoch
Industriestecker
ja
Verfügbarkeit /Jahre
5
Lebensdauer /h **
10.000
5 - 50
-20 - +65
0 - 50
0 - 50
nein
ja
ja
möglich
nein
ja
ja
möglich
möglich
FH
Vibration
Pf
Imagesticking
gering
hoch
gering
mittel
mittel - hoch
nein
Ja
ja
möglich
möglich
1
1
3
2
?
25.000
15.000
100.000
50.000
?
(*) : beim Einsatz reflektiver Technologien ja
Bla
(**) : bis zum Austausch von Komponenten
Die Angaben beziehen sich auf handelsübliche Monitore, keine Sonderentwicklungen
80 / 81
Cost of Ownership
Kosten bei 5-jährigen Dauerbetrieb (50.000 h) inklusive Anschaffungskosten
Größe, Technologie *
Austauschkosten **
Gesamtstromkosten ***
17"-CRT
15"-AMLCD
10,4" EL
25" Plasma
30.000
1.800
400
-
950
300
100
2.000
Anschaffungspreis
2.000
(Industrietauglich) /DM
Gesamtkosten in 5 Jahren
(*)
4.750
Pf
(0,15 DM/kWh) /DM
4.000
3.000
10.000
4.700
3.100
42.000
: nutzbare Bildschirmfläche für CRT und LCD etwa gleich groß, bei EL und Plasma
FH
keine größeren bzw. kleineren Diagonalen erhältlich
(**) : CRT 2* Bildröhre; LCD: 1 * Backlight, jeweils incl. Personaleinsatz;
Plasma 3* neu (Displaykosten ≈ Monitorkosten)
(***) : typische Leistungsaufnahme: CRT 130 W, LCD 40 W, EL 15 W, Plasma 270 W
- 'Gewinner' EL-Technologie bezogen auf Gesamt- und laufende Kosten
Bla
wenn Bilddiagonale und volle Farbfähigkeit 'egal', aber nur ein Produzent
- Plasmadisplays teuer aber große Bildfläche, kleinere nicht erhältlich
- Röhrenmonitore und AMLCD - Panel liegen bzgl. Kosten und Leistung etwa gleich
- LCD mit besseren EMV - Eigenschaften und kleinerem Einbauvolumen
- Vorteil CRTs durch jahrzehntelange Einsatzerfahrung
Fazit
Die Entwicklung von Geräten mit elektronischen Displays erfordert ein umfangreiches Know How über die Technologien und ihre Leistungsfähigkeit!
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Elektronische Displays

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